陳衛欣譯；姚芳校

　　校者按：本文為作者通過52篇論文及本人經驗寫成。文中提出了飲用水使用生物活性炭的意義，其與臭氧組合使用的效果，以及具體實踐情況，指出雖采用生物活性炭費用稍下，但處理效果好、水質高、經濟意義更大。尤其與臭氧組合使用更有特殊作用。在當前飲用水水質要求越來越高的情況下，生物活性炭的使用，已經受到了給水界矚目。

　　1、序言：
　　“生物活性炭”設計方針定義為：利用活性炭的吸附以及活性炭層內微生物有機分解作用，延長活性炭吸附能力的方式。也就是說，它不僅有著活性炭的吸附力，也有著以粒狀活性炭為載體，在其上生長的微生物的作用。這種處理方法即稱為生物活性炭處理。
　　在歐洲，特別是以德國為中心，過去就利用這種技術。自從飲用水中出現了三鹵甲烷的問題以后，在各國都很快地對此技術引起了注意，并取Biological Activated Carbon的字頭，縮寫為BAC。
　　特別是1978年美國環保局發表了暫定第1種飲用水規劃修定案，規定了三鹵甲烷（THM總）的最大容許濃度為100ug/l，并規定必須安裝顆粒活性炭處理裝置，因此BAC方法越來越受到公眾的觀注。可是對于這種規定，反對意見很多，結果它被擱置起來。以此為契機又把引入生物活性炭處理，作為人們積極討論的話題。
　　在日本，為了降低三鹵甲烷和對付異臭味，或者為了接受1984年在生活環境審議會上所定的“迎接高普及時代，自來水行政今后的方針”等，作為新的自來水的課題，以解決水質問題，準備了引入高度凈水處理的資金，并提出了對策。
　　高度凈水處理是指活性炭處理、臭氧處理和生物處理而言。特別指臭氧和活性炭處理的組合，利用充分發揮生物活性炭最大限度效果作用的設施，以極大有效地改善水質。

　　2、生物活性炭吸咐作用的工序相比，當前考慮由于活性炭表面的生物膜內產生的有機的分解，以及活性炭內部細孔內進行的吸附，或者伴隨生物再生吸附的相互作用的結果，延長至其再生之前的生物活性炭作用時間是有可能的。
　　但是，也有研究人員對這種想法提出疑問。Benedek在法國的莫桑進行小型實驗的結果，否定生物再生的論斷。Peel Ben-edek,Mellevialle否定了生物活化的說法，得出了生物活性炭比吸附壽命長的原因，是各種物質在吸附速度上存在差異的結論。但是，Speitel Jr. Lu通過室內的柱狀實驗，研究了生物再生，而得出了如下結論：原水中加入和生物易分解性對硝基苯酚，加上相反的生物難分解性三氯乙烯，對硝基苯酚一開始分解，三氯乙烯吸附作用也開始發生，所以，生物再生是存在的。
　　新鮮活性炭開始使用不久活性炭產生穿透，在活性炭上的生物發揮活性，變成生物活性炭的時期，根據水溫，微生物利用的原水中所含基質的種類、流入水中細菌濃度和種類，以及逆洗的方法和和頻率的不同而異。Vander kooij根據的研究為20～30天即可完全成。Speitel Turakhia惠斯通湖的原水，在實驗基地研究了生物活性炭公的時期，探討了生物的再生有無恢復吸附能力的結果，報告了苯酚的生物分解從第30天開始，吸附的苯酚有約50%受到生物分解作用，對于在生物活性炭上生長的生物，有很多研究成果，多數研究者都提出優勢種是假單胞菌屬。另外觀察報告中還有黃桿菌屬、芽孢菌屬、節桿菌屬、氣單胞菌屬、不動桿菌屬等。特別是Beek Bonde一致認同假單胞菌屬，認為假單胞菌屬產堿菌屬是優越種。Rollinger Dott在室內也進行了在滅菌活性炭上種植菌株的實驗，確認了肺炎克雷伯氏菌和鏈環菌屬糞便類在活性炭上不能生存。而埃氏大腸菌、假單胞aerug-inosa，假單胞putide能附著繁殖。Cummins和Nash在賓夕法尼亞洲的Beaver Fall市做實驗，報告了流水中并不存在的大腸菌群經過粒狀活性炭濾池流出的水中檢驗出730個/100ml。但是，實際上沒有報告表明，在粒狀活性炭濾池中活性炭上附著生長有害的微生物或者流出水中有病原生原泄漏的現象。
　　Den Blanken對活性炭上的生物進生觀察，發現活性炭表面有多糖類、細菌類的生殖，在表面上形成聚集。但是明確了生物不形成膜狀。并且，生物附著以后，過濾繼續進行，經過一年到一年半，活性炭的細孔內充滿了多糖類和細菌。
　　Hansen證實了活性炭顆粒從濾池流出這一事實。在密執安州Mt.Clemens市凈水廠，從操作者那里調查自來水中有黑色顆粒的結果上，得知絮凝形成不好，粉未活性炭就可能從濾池中漏掉。因為粉未炭微粒不反光，濁度很難檢查出來。Camper Le Chev-allier等收集了9處凈水廠的201個水樣，用紗布過濾檢查結果，證實了確有41。4%的水樣有活性炭細片流出，其中存在一般細菌。
　　從生物活性炭流掉的生物，與過濾速度的變化和濁度的增加有影響，一般來說范圍為50～1000個/ml.
　　從生物活性炭流掉的生物，多與活性灰的細片一起流出情況，考慮會影響以后的消毒效果。和等用儀器測定了從生物活性炭濾柱中流出和活性炭細片，對其消毒效果做了報告。根據此報告，證實了在模型試驗中平均有36個/l（10～62個）活性炭顆粒（平均粒徑6um）從濾柱中流出，并證實其中存在細菌。而且，用氯胺和游離氯進行消毒，接觸了40分鐘細菌只減少了0.5log。
　　如上所述，有已成為生物活性炭的顆粒活性炭已經確認從濾池流出，是帶有大腸桿菌的報告。因為其中含有糞便性物質，所以，在使用生物活性炭時，消毒成為重要的討論課題。Camper把幾種水做為媒介，將病原體附著于未使用過的活性炭上，病原體能夠較長時期內附著在活性炭上。重新將自來水原水那樣含細菌的水過濾，進行同樣的試驗，病原體幾乎沒有被附著帶出，所以一般為必考慮病原菌的繁殖和流出。
　　如果說生物活性炭作為載體，在其上生長的微生物可以發揮它的功能，活性炭以外的媒體，例如砂和無煙煤，促使微生物在其上繁殖，認可能看到差別。Camper Broadway用活性炭、砂和無煙煤做室內實驗，測定流出水中的一般細菌數。活性炭與其他的載體相比，在其上附著的生物數要多。黑澤和真柄等人在室內實驗中用活性炭和砂作比較，不論是懸濁物質的去除，還是氨的硝化，活性炭都要優越。
　　其理由是：Ying Webrt認為活性炭之所以比其他載體要好，是因為活性炭表面的吸咐氧較多，生物膜內有足夠的基質，在生物再生上保持持續的吸咐力。

　　3、生物活性炭與臭氧組合效果
　　生物活性炭多與臭氧組合使用，通過臭氧處理，原水中的生物難分解性有機物變成易分解的物質，改善后期的生物活性炭的去除能力，使臭氧處理和生物活性處理繼續成為高度凈水處理的主流。以往交凈水的前處理多采用前氯劑處理，由于增加大量的THM，所以逐漸有失推行在水處理程序中間進行氯劑處理、廢止前氯劑處理的傾向，現在考慮引入臭氧處理代替，也是這個理由。
　　Heiker等將魯爾河水做為原水在西德的米爾海姆的凈水廠實驗基地進行研究結果為，前氯劑處理會降低濾池中生物活性炭的生物活性，取而代之使用臭氯處理，不僅增加活性炭的吸咐量，還延長活炭的壽命。Neukrug等在費城的托里斯爾凈水廠，引用特拉華河作為原水進行小型實驗，使用前氯劑、凝聚、過濾處理并和未經處理的兩種原水，進行臭氧處理，生物活性炭比較，未經前氨劑處理的更有效果。既然我們期待著生物活性炭處理中活性炭上微生物的作用，那么具有消毒力和氯劑浸入活性炭過濾層不很理想，也上當然的結果。
　　關于臭氧的處理效果有很多報告，即有說期待著好的處理效果的，又有說引入臭氧處理效果不變的等等，得至少沒有報告說明臭氧處理成為障礙的。現在利用生物活性炭結合臭氧處理組合使用已成為主流。
　　Glaze Wallace在路易安娜州進行模型實驗，以克羅斯湖水做為原水，關于臭氧處理的效果為：經過25周～44周生物活性炭處理的水穩定，三氯甲烷母體(THMFP)和總有機炭(TOC)去除50%，有無臭氧處理都于實驗結果無關。Neukrug等在上述的費城的實驗中，認為不會因為臭氧的處理而特別改善揮發性有機氯化合物與臭氣的去除。丹保堤等人得到如下結論：臭氧處理可以提高生物分解能力，但卻降低整體的吸咐能力。中道和皆川等人引用相模川的水作為原水試驗，認為臭氧處理并沒有什么效果。
　　但是，認為臭氧處理有效果的還是占多數。Dewaters D-iano將含有天然有機物的原水中在每的投入的臭氧，在每mg的TOC投入1mg的臭氧，提高原水中有機物質有生物分解能力，在短短的空塔接觸時間內（3.9）去除了TOC（原水濃度為7mg/l）43%。Stephen等在天巴市用下水處理水做實驗，僅用生物活性炭，TOC的去除率為55～61%，如果結合臭氧處理，則提高到72～82%。Wang等在哈爾濱以松花江水作原水進行小型實驗，用臭氧與活性炭可去除COD70～80%，，用氣體色譜法確定，只有活性炭的話只能去除原水中存在的9種峰值里的3種，如果配合臭氧處理，能去除4種。Svervais等在濾柱實驗中，認為低水溫也可去除TOC。
　　Rook等將萊茵河與繆期水河做為原水，調查了4個凈水廠的有機物質去除情況，認為臭氧活性炭組合是有效的。但是，要充分去除，就要充分延長活性炭組合處理是有效的。但是，要充分去除TOC，就要充分延長活性炭的空塔接觸時間，如果可能的話以采取多段接觸處理最好。Speitel Turakhia用惠期通湖的湖水作原水做小型實驗得出，如果沒有臭氧處理，TOC只能去除20%，組合臭氧處理，去除率則增加到31%，提高生物活性，Beck也有同樣報告。Maloney等做的實驗也證實了通過臭氧處理可以提高生物分解能力，組合臭氧處理可以改善生物活性炭的有機物質去除率。但是，正如還需有一些持否定結果那樣，由于原水水質關系，幾乎不能過分期望著那種好的效果。
　　Beck等引用荷蘭Sjelse湖水，用臭氧處理，TOC中只有低分子部分發生效力，用生物活性炭高、低兩部分都容易去除。在全工程中TOC能去除25%，其中60%的分了量為700～1，000，20%的分了量為1000～5000，整個過程和前后THMFP TOC與這比不變。海賀等人的報告表明：以臭氧處理對于生物活性炭中的TOC除去有效的方面上，生物活性炭較易于除去低分子的TOC。關于臭氧處理的效果，土井等人總結了在大阪府庭洼凈水廠的模型實驗的結果，，在臭氧處理過程中，螢光強度，UV吸收率都明顯的減少，海賀等人取印幡沼的水作為原水進行水廠實驗，得出臭氧處理對E260的吸收及對異臭味物質有效，將E260吸收物質變成了生物分解能力強的物質的報告。
　　象這樣與臭氧處理組合使用提高效果的例子很多，可以認為其并沒有使生物活性炭上的生物相變化，只是使其改變生物分解能力而產生效果。
　　對于變異原性物質，Kool等人在萊茵河與繆期水河為水源的凈水廠內，對每一凈水工程變異原性物質的變化，以Ames實驗判斷，顯示出臭氧處理即可降低變異功能，又可能起到相反的作用。究其原因，是因為生物活性炭內有機物的去除率有差異。

　　4、引入生物活性炭，改善凈水處理設施
　　在引入生物活性炭處理，對付污染日趨嚴重的原水水質的對策上，原水污染到何種程度引入生物活性炭處理，以及在某個系統的哪個環節上引入這種處理都是問題。根據1988年出版的《高度凈水設施引入準則》，引入現在高度凈水處理或是或要引入凈水廠原水的水質的95%值如表-1所示，以及銹臭氣味和色度及氨氮的濃度已達到藥品處理的限度都是生物活性炭處理的對象。

表一　　　高度凈水設施引入凈水廠的原水95%值的最低值 水質項目 處理方法 粉末活性炭 顆泣活性炭 臭味氧 組合處理 色度（度） 5 10 25 40 具味強度 3 25 25 25 過錳酸鉀消耗量（mg/l） 3 7.5 7.5 7.5

　　

　　根據《高度凈水設施技術資料（活性炭處理設施）》，在引入整個系統中，工序的位置應安在圖－1所示的凝聚過濾以后或者凝聚過濾之間。
　　　但是，在最早引入活性炭技術的歐洲，有在活性炭處理的后面進一步安置慢速過濾的例子。如圖－2所示，以慕尼黑制的露露河水為原水，在凝聚池沉淀水中投加臭氧，雙層過濾生物活性炭后進行慢速過濾，地下不水一旦注入后再提升，加氯劑后配水。瑞士以蘇黎世湖為湖水源的凈水廠，進行凝聚、直接過濾，加入臭氧，活性炭過濾后進行慢速過濾，二氧化氯消毒，將水送出。

　　引入生物活性炭多以水中含THM情況如何為對策，原水中存在的有機物在氯劑處理過濾中與氯劑反應，形成THM或全有機鹵化合物（TOX）。因此，如果在前氯劑處理或處理設施中向加氯劑處理的后面設置活性炭設備，生成的THM或TOX，說就由于被吸咐而除去。考慮THM的吸咐容量比較小，或者一旦吸咐的TOX使THM變化，活性炭的效果不會象預想的那樣。但是，生物活性炭不經過氯劑處理而只昌通過活性炭，為了去除THMFP或TOXFP等有機物，整體來講THM或TOX的降低效果都增加。同時氨的硝化也是其特點。
　　Meijers等以繆斯河水的水為原水，在鹿特丹市的凈水廠內做的實驗，在夏季原水中含THMFP為160，經過生物活性炭處理降低到84，比之沒有場合降低到102來講是相當有效果的。生物活性炭可降低氯醛的濃度10～15。大住等人以川水作為原水，在大阪府的庭洼凈水廠做小型實驗的結果為：TOC與THMFP可去除12%，鐵、錳去除80%，MIB可去除100%，海賀等人以印幡沼為原水做小型實驗，生物活性炭將TH-MFP60%，TOXFP85%。但是，McGuire等提出，生物活性炭將THMFP和TOXFP全部去除是困難的，所以當引入時，做實驗認定其效果是必要的。
　　活性炭的接觸池有以活性炭作固定層接觸的下向流式和流動狀態接觸的向上流式兩種。通水速度以活性炭每單位體積的通水量而定的空間速度(Space Celocity略為SV)表示：固定層是5～10hr-1，為了能在流動層式上使用小顆粒的活性炭，采用大一些的為10～15 hr-1。但是，從運轉操作方面來看，固定層式容易操作，采用固定層的實際成績多。西德的活性炭設置基準為：濾速（線速度linear velocity略為lv）　8～12m/hr，濾床厚度2～4米　空塔接觸時間為12～25min，到再生為止的通水量為每立方米活性面料100，000m3，結合臭氧處理到再生為止，時間可延長到2～3倍。
　　固定層式濾床需要經常清洗，通常采取反沖洗和空氣清洗合用方法，反沖洗的膨脹率以30～40%為好，根據顆粒大小不同，清洗速度為20～50m/hr。但是，由于水溫變化關系膨脹率有所不同，這一點必須注意。
　　雖然進行清洗，但處理性能還不能完全還原的情況下，有必要使活性炭再生。由于再生量不同，在經濟上處理也不同。根據情況或者委托專業廠家再生，或者自行增置再生設備再生。通常選用水蒸氣活化作用再生法。再生會有10%損耗，所以有必要補充新炭。再生時在排氣中有氯化二笨索代喹啉、氯化二苯氧芴檢出。再生程度以與氯劑處理并用場合的方式高，與臭氧處理并用時低。再生爐內如果安裝補燃器會更有效果。其風險比城市內廢品焚燒小。四氯二苯-P-縈代喹啉、四氯二苯呋喃，2、3、7、8-TCDD都在檢出限界以下。

　　5、生物活性炭對處理費用的影響
　　引入生物活性炭處理當然會使處理費用提高。根據美國環保局的大型模型基地所進行實驗情況試算，顆粒狀活性炭的處理費用在51日元/米a的情況下，自來水費提高20%。另一方面，根據高度凈水設施引入準則規定，設置處理能力100，000米a/日的活性炭濾池，假定SV為10hr-1，活性炭壽命為300日的時候，試算建設費用約為16億日元，成本提高為65日元/米a。但是,Con-stantine將高色度、高THMFP的原水用臭氧處理，投入蘇打灰或石灰，以生物活性炭過濾系統處理的場合探討，沒有前氯劑處理，臭氧投入率為10～20mg/l，建設費比用舊方法節約10%，運輸費便宜，投藥量減少，并且也減輕了排水處理的負擔。
　　引入生物活性炭處理，比起新建水廠來，改造已有設備的水廠的更多一些。水廠多數需要改善水泵，新設的和即有的其他部分，由于種種條件不同，比例或有差別，但一般來講會增加成本。因此，將設施的各個單元構筑物運轉方面，經濟方面等實踐的知識充分運用，使用實際原水進行相當規模的實驗，進行詳細的探討是恰當的。

　　6、結語
　　生物活性炭是以高度凈水處理為中心的過程中所期望的一種處理方式。在水源污染更嚴重的城市，正以引進這種方式為中心。特別是由于生物活性炭的引入，有望于解決異臭味問題，有效降低THM，今后可以考慮進而引入與臭氧處理并用的方法。
　　自來水的安全性是問題。進而還有異臭味問題，人們對“美味水”的要求越來越高，現在的情況是仍有舊觀念。供給用戶安全、可信賴的水是自來水事業的使命，早日使用戶對自來水事業恢復信心十分重要。
　　隨著成本的增加，水費要改變，具體的講有相當多的障礙，在視線指向引入高度處理的目標下，要越過這些困難。
　　裝置設施的時間還淺，參考資料少，不過仍有東京都和大阪市運轉的實際例子，即將已得出的結論作為介紹。

摘譯